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骨骼肌、神经、软骨等组织均依赖细胞与胞外基质定向排布发挥功能，复刻心肌特有的层状各向异性结构是心肌工程构建的核心目标。近日，西安交通大学李涤尘/贺健康教授团队提出凝胶耦合应变锁定制备新策略，可构建大面积分层取向心肌组织，搭配压电支架显著改善心肌电生理性能，在心梗修复植入、体外心肌模型等领域具备重要临床转化价值，也可推广至骨骼肌、神经等各向异性软组织构建。
相关工作以“Strain-Driven Topological Reorganization in Soft Fibrin Nanofibrous Networks Enabling Tissue-Like Alignment”为题发表在《Advanced Materials》期刊。
亮点：创新性与突破
1、制备工艺创新：首次在纤维蛋白凝胶态成纤维窗口期施加单轴应变，依托纤维交联进程永久锁定有序结构；明确90s预凝胶最优窗口、1.6倍拉伸取向饱和阈值，无需模板与外场，可规模化制备三维有序载细胞基质。
2、建立孔洞拉直几何定量理论：从微观拓扑角度解释1.6倍拉伸倍率下纤维取向饱和的内在规律，结合流变、有限元仿真阐明凝胶交联度调控纤维迁移与网络传力平衡的力学机制，为纤维类生物水凝胶取向调控提供定量设计依据。
3、结构与功能一体化：优化支架晶格制备仿生分层心肌，复合压电支架实现细胞自发电刺激，构建“仿生分层心肌+压电自刺激”一体化体系，同步提升心肌结构成熟度与电生理功能，适配心肌修复，可拓展至多种软组织工程。
WHAT：研究内容
本文针对三维载细胞纤维基质取向制备依赖模板/外场、缺少定量力学调控、难以同步构建仿生分层心肌并优化电生理功能的行业难题，提出凝胶化耦合应变诱导取向策略。通过调控预凝胶时间、拉伸倍率与支架几何制备稳定有序纤维蛋白网络，建立几何模型解释1.6倍拉伸取向饱和规律，优化晶格获得大面积单向及多层仿生心肌结构，并验证该体系在工程心肌、心脏修复领域的应用潜力。
图1 设计示意图
解决方案：技术优势
1、构建可调谐黏弹性培养体系
以电流体打印菱形 PCL 支架为载体搭建应变组装平台，对比60s、90s、10min三组预凝胶时间下纤维排布、卸载回弹行为，结合流变测试分析不同交联阶段网络储能模量差异，明确 90s中等交联窗口可平衡纤维滑移能力与整体传力特性；梯度设置20%–80%单轴拉伸形变，定量统计纤维、细胞取向指数与孔洞长宽比变化，建立多边形孔洞拉直几何模型，从微观拓扑层面解释1.6倍拉伸倍率下取向饱和的内在规律；同时通过有限元仿真揭示弱/中/完全交联三种网络的应力传递与重排差异。
图2 从单元细胞到支架阵列的纤维蛋白和细胞对齐的应变依赖性饱和
3、取向基质对心肌细胞结构与收缩功能的生物学验证
将新生大鼠心肌细胞包埋于应变诱导有序纤维蛋白基质中，以无序凝胶为对照组。通过免疫荧光表征肌节长度、缝隙连接CX43表达水平，证实取向微环境显著促进心肌细胞结构成熟；借助高速成像与光流追踪算法定量分析细胞自发收缩行为，对比两组最大收缩速度、x/y方向收缩占比，证明有序基质可诱导心肌产生高速、同步的各向异性定向收缩。
4、压电复合功能支架开发与多功能应用验证
采用多材料电流体共打印制备PCL/PVDF压电复合支架，表征复合体系力学性能、PVDF 压电活性相转变与电信号输出能力，验证压电组分不会破坏应变诱导的纤维取向结构；通过电起搏刺激、钙瞬态动力学检测对比纯 PCL 与压电复合支架中心肌的起搏阈值、最高同步捕获频率、钙信号恢复速率，证实细胞自主收缩可触发内生压电刺激，全面优化心肌电生理功能；最终验证该整套工艺在心工程模型、心梗修复植入补丁领域的应用潜力，同时方案可拓展至骨骼肌、外周神经等各类各向异性软组织构建。
图 5 多材料静电打印压电菱形支架
结论
本研究建立凝胶化耦合应变锁定策略，在纤维蛋白水凝胶成型窗口期施加单轴拉伸，依靠纤维滑移与网络交联平衡实现可永久保留的各向异性结构；通过几何模型阐明1.6倍拉伸取向饱和机理，优化支架晶格得到大面积单向、跨壁分层仿生心肌基质；有序微环境可显著促进心肌细胞结构成熟与定向收缩，复合PCL/PVDF压电支架还能依托细胞自主收缩产生内生电刺激，进一步优化心肌电生理与钙信号调控性能。该方法操作简便、生物相容性优异，适用于体外心肌模型、心脏修复植入制备，同时可推广至骨骼肌、神经等各类各向异性软组织工程体系。